Forskning tyder på, at liv trivedes på Jorden for 3,5 milliarder år siden

For tre en halv milliard år siden, Jorden var vært for liv, men overlevede den knap nok, eller trives? En ny undersøgelse udført af et multi-institutionelt team med ledelse, herunder Earth-Life Science Institute (ELSI) fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech), giver nye svar på dette spørgsmål. Mikrobiel metabolisme er registreret i milliarder af år af svovlisotopforhold, der stemmer overens med denne undersøgelses forudsigelser, tyder på, at livet blomstrede i de gamle oceaner. Ved at bruge disse data, videnskabsmænd kan dybere forbinde den geokemiske optegnelse med cellulære tilstande og økologi.

Forskere vil gerne vide, hvor længe livet har eksisteret på Jorden. Hvis det har eksisteret næsten lige så længe som planeten, dette tyder på, at det er let for livet at opstå og derfor bør være almindeligt i universet. Hvis det tager lang tid at opstå, dette tyder på, at der var meget specielle forhold, der skulle opstå. Dinosaurer, hvis knogler præsenteres på museer rundt om i verden, blev forudgået af milliarder af år af mikrober. Mens mikrober har efterladt nogle fysiske beviser for deres tilstedeværelse i den gamle geologiske rekord, de fossilerer ikke godt, således bruger videnskabsmænd andre metoder til at forstå, om der var liv til stede i den geologiske optegnelse.

I øjeblikket, det ældste bevis på mikrobielt liv på Jorden kommer til os i form af stabile isotoper. De kemiske grundstoffer kortlagt i det periodiske system er defineret af antallet af protoner i deres kerner. For eksempel, brintatomer har én proton, heliumatomer har to, kulstofatomer indeholder seks. Ud over protoner, de fleste atomkerner indeholder også neutroner, som er omtrent lige så tunge som protoner, men som ikke bærer en elektrisk ladning. Atomer, der indeholder det samme antal protoner, men variabelt antal neutroner, er kendt som isotoper. Mens mange isotoper er radioaktive og dermed henfalder til andre grundstoffer, nogle gennemgår ikke sådanne reaktioner; disse er kendt som "stabile" isotoper. For eksempel, de stabile isotoper af kulstof inkluderer kulstof 12 (skrevet som 12C for kort, med 6 protoner og 6 neutroner) og kulstof 13 (13C, med 6 protoner og 7 neutroner).

Alt levende, inklusive mennesker, "spise og udskille." Det vil sige, de tager mad ind og udviser affald. Mikrober spiser ofte simple forbindelser, der stilles til rådighed af miljøet. For eksempel, nogle er i stand til at optage kuldioxid (CO ₂ ) som en kulstofkilde til at bygge deres egne celler. Naturligt forekommende CO ₂ har et ret konstant forhold på 12C til 13C. Imidlertid, 12CO ₂ er omkring 2 procent lettere end 13CO ₂ , altså 12CO ₂ molekyler diffunderer og reagerer lidt hurtigere, og dermed bliver mikroberne selv "isotopisk lette, " indeholdende mere 12C end 13C, og når de dør og efterlader deres rester i fossiloptegnelsen, deres stabile isotopiske signatur forbliver, og er målbar. Den isotopiske sammensætning, eller "signatur, " af sådanne processer kan være meget specifikke for de mikrober, der producerer dem.

Udover kulstof, der er andre kemiske grundstoffer essentielle for levende ting. For eksempel, svovl, med 16 protoner, har tre naturligt rigelige stabile isotoper, ³² S (med 16 neutroner), ³³ S (med 17 neutroner) og ³⁴ S (med 18 neutroner). Svovlisotopmønstre efterladt af mikrober registrerer således historien om biologisk metabolisme baseret på svovlholdige forbindelser tilbage til omkring 3,5 milliarder år siden.

Hundredvis af tidligere undersøgelser har undersøgt brede variationer i antikke og nutidige svovlisotopforhold som følge af sulfat (en naturligt forekommende svovlforbindelse bundet til fire oxygenatomer) metabolisme. Mange mikrober er i stand til at bruge sulfat som brændstof, og i processen udskille sulfid, en anden svovlforbindelse (figur 1). Sulfid-"affaldet" fra gammel mikrobiel metabolisme lagres derefter i den geologiske registrering, og dets isotopforhold kan måles ved at analysere mineraler såsom FeS2 mineralet pyrit vist i figur 2.

Denne nye undersøgelse afslører et primært biologisk kontroltrin i mikrobiel svovlmetabolisme, og præciserer hvilke cellulære tilstande der fører til hvilke typer svovlisotopfraktionering. Dette gør det muligt for forskere at forbinde stofskifte med isotoper:Ved at vide, hvordan metabolisme ændrer stabile isotopforhold, videnskabsmænd kan forudsige, hvilke isotopiske signaturorganismer bør efterlade.

Denne undersøgelse giver nogle af de første oplysninger om, hvor robust oldtidens liv metaboliserede. Mikrobiel sulfatmetabolisme registreres i over 3 milliarder års svovlisotopforhold, der er i overensstemmelse med denne undersøgelses forudsigelser, hvilket tyder på, at livet rent faktisk trivedes i de gamle oceaner. Dette arbejde åbner et nyt forskningsfelt, som ELSI -lektor Shawn McGlynn kalder "evolutionær og isotopisk enzymologi." Ved at bruge denne type data, videnskabsmænd kan nu gå videre til andre elementer, såsom kulstof og nitrogen, og mere fuldstændigt forbinde den geokemiske optegnelse med cellulære tilstande og økologi via en forståelse af enzymudvikling og Jordens historie.